In allen Flammspritzsystemen wird ein Brennstoff / Sauerstoff oder Brennstoff / Luft-Gemisch in einer Brennkammer unter erhöhtem Druck verbrannt. Typische Brennstoffe sind Propan, Propylen, Wasserstoff, Ethen, Acetylen und Kerosin, siehe Tabelle 1 [5]. Die maximale Temperatur der Flamme in der Brennkammer ist abhängig von dem Brennstoff / Sauerstoff-Verhältnis, dem Brennkammerdruck, der Größe der Brennkammer und der Wärmeabfuhr durch eine Brennkammerkühlung.

Bild 5: Einfluß des Sauerstoff-Brenngas-Verhältnises λ auf die Flammtemperatur (l = 1 für stöchiometrische Verbrennung).

In Bild 5 sind die adiabatischen Flammtemperaturen für die Verbrennung von unterschiedlichen Brennstoffen bei atmosphärischem Umgebungsdruck als Funktion des stöchiometrischen Verhältnisses dargestellt [5]. Diese adiabatische Temperatur entspricht der maximalen Temperatur, wenn die Flamme nicht gekühlt wird und wenn während der Verbrennung genügend Zeit zum Einstellen des thermodynamischen Gleichgewichtes verbleibt. Das stöchiometrische Verhältnis entspricht dem Quotienten aus aktuellem Sauerstoff / Brennstoff-Verhältnis und dem erforderlichen Verhältnis für eine vollständige Verbrennung. Auf den ersten Blick mag überraschen, dass die höchsten adiabatischen Flammtemperaturen nicht bei den Verhältnissen auftreten, die eine vollständige Verbrennung gewährleisten sollten. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass bei diesen hohen Temperaturen nicht nur Oxidationsreaktionen, sondern auch Dissoziationsreaktionen stattfinden. Wenn ein Kohlenwasserstoff als Brennstoff bei diesen hohen Temperaturen stöchiometrisch verbrannt wird, entsteht auch CO, H₂ sowie auch freier atomarer als auch molekularer Sauerstoff. In diesen Fällen ist ein fetteres, unterstöchiometrisches Gemisch für die Verbrennung vorteilhaft, da der Mangel an Verbrennungswärme bei der Bildung von CO anstelle von CO₂ überkompensiert wird durch die Verringerung der Ballastgasmenge, im vorliegenden Fall Sauerstoff. Dieser freie Sauerstoff ist, wie z. B. Stickstoff bei der Verbrennung mit Luft, ein Ballastgas, welches nicht an den chemischen Reaktionen teilnimmt. Darüber hinaus kann freier Sauerstoff im Auslassgasstrom zu weiteren Einschränkungen beim Spritzen führen, da dieser Sauerstoff ein hohes Potential hat, um die Spritzpartikel zu oxidieren.

¹⁾  Sauerstoffanteil aus der Druckluft eingerechnet   ²⁾  Massenmischungsverhältnis

Tabelle1: Standardparameter für verschiedene HVOF-Systeme

Als Beispiel zeigt Bild 6 die molaren Anteile an sauerstoffhaltigen Substanzen im Auslassgastrom bei der Verbrennung von Ethen bei einem Druck von 0,8 MPa für verschiedene stöchiometrische Verhältnisse [6]. Die mit zunehmenden stöchiometrischen Verhältnissen stark ansteigenden Anteile an sauerstoffhaltigen Substanzen unterstreichen die Vorteile einer fetten, unterstöchiometrischen Verbrennung. Dies zeigt auch auf, dass die Flussraten von Brennstoffen und Sauerstoff zuverlässig gemessen und geregelt werden müssen.

Bild 6: Sauerstoff enthaltene Bestandteile im Abgas einer adiabaten Ethen (C₂H₄) Verbrennung bei einem Druck von 0,8 MPa und verschiedenen stöchimetrischen Verhältnissen.

Zum weiteren Vergleich zeigt Bild 5 auch die adiabatischen Flammtemperaturen für die Verbrennung eines Kerosin / Luft-Gemisches. Die hierbei erreichbaren Temperaturen liegen 800 K bis 1000 K unter den Temperaturen, die bei der Verbrennung mit Sauerstoff eingestellt werden. Dies liegt daran, dass Luft 79 Vol. % Stickstoff enthält, der nicht an der Verbrennung teilnimmt – abgesehen von vernachlässigbaren Reaktionen zu Stickoxiden. Dieser inerte Stickstoff muss allerdings ebenfalls bis zur Flammtemperatur aufgeheizt werden. Daher wird in den meisten Flammspritzanwendungen Sauerstoff und nicht Luft zur Verbrennung eingesetzt. In den meisten Spritzpistolen liegt der verwendete Verbrennungsdruck in einem Bereich kleiner 1 MPa (10 bar).

Wenn der Verbrennungsdruck erhöht wird, steigt auch die adiabatische Flammtemperatur. Entsprechend könnte man argumentieren, dass höchstmögliche Drücke verwendet werden sollten. Als Beispiel zeigt Bild 7 die adiabatischen Flammtemperaturen bei der Verbrennung von Acetylen für verschiedene stöchiometrische Verhältnisse über dem Brennkammerdruck [6]. Bei höheren Drücken steigt die Flammtemperatur weniger stark an und nähert sich einem Sättigungsbereich. Im Hinblick auf Anwendungen muss auch berücksichtigt werden, dass eine Hochdruck-Brennkammer schwerer wird, ein Umstand, der wichtig sein kann bei der Beschleunigung von Robotersystemen auf die erforderlichen Geschwindigkeiten. Längere Beschleunigungsstrecken außerhalb des zu beschichtenden Bauteils verringern die Effizienz und sind damit teuer. Des Weiteren ist in einigen Ländern der Vertrieb von Sauerstoff auf mittlere Druckbereiche beschränkt. Darüber hinaus erfordert eine höhere Verbrennungstemperatur auch eine stärkere Kühlung der Brennkammer oder des Auslassrohres. Diese steigert sowohl das Gewicht eines solchen Spritzsystems als auch die Voraussetzungen und Kosten für das notwendige Kühlaggregat.

Bild 7: Adiabate Verbrennungstemperatur der stöchiometrischen Verbrennung verschiedener Brennstoffe mit Sauerstoff bei verschiedenen Drücken.

Die Brennkammer muss gekühlt werden. Das ist nicht überraschend, schließlich übersteigt die Flammtemperatur bei Verbrennung mit Sauerstoff in den meisten Fällen 2600 °C. Nicht nur die Brennkammer, sondern auch die anderen Komponenten wie z. B. die Düse und - sofern vorhanden - das Gasauslassrohr benötigen eine Kühlung. Damit wird ein erheblicher Anteil der Heizleistung, in einigen Spritzsystemen bis zu 20 % oder mehr, allein durch Kühlung aufgebraucht. Unterschiedliche Designs basieren auf zum Teil sehr unterschiedlichen Brennkammergrößen. Sofern Brennstoff und Sauerstoff vor dem Eintritt in die Brennkammer gemischt werden, kann eine kleinere Geometrie ausreichen [7]. Wenn aber Brennstoff und Sauerstoff separat injiziert werden, erfordert dies deutlich größere Brennkammervolumina, da auch die notwendige Durchmischung vor der Verbrennung gewährleistet sein muss. Größere Brennkammern stellen höhere Anforderungen an eine Kühlung, was in Folge zu höheren Betriebskosten führt.